DE2513216B2

DE2513216B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats durch reaktive Kathodenzerstäubung

Info

Publication number: DE2513216B2
Application number: DE752513216A
Authority: DE
Inventors: Sigurd Redwood City Andresen; Robert L. Oakland Cormia; Terry A. Orinda Trumbly
Original assignee: Airco Inc
Current assignee: Airco Inc
Priority date: 1974-05-10
Filing date: 1975-03-25
Publication date: 1979-03-01
Also published as: CA1027895A; FR2279861B1; JPS5546467B2; JPS511381A; FR2279861A1; GB1489807A; US4046659A; DE2513216A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung

:s eines Substrats nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine dazu geeignete Vorrichtung.

Bei einem bekannten derartigen Verfahren, wie es beispielsweise in der Zeitschrift »Research/Development«, Januar 1974, S. 38 bis 40 beschrieben ist, besteht die Gefahr, daß sich auf der während der reaktiven Zerstäubung auf der Zerstäubungselektrode bildenden isolierenden Schicht aufgeladene Ionen absetzen, die dann örtlich eine hohe elektrische Feldstärke hervorrufen, die im Randbereich das Auftreten von LJchtbogenerscheinungen zur Folge hat Diese, in dem bezeichneten Aufsatz »Race-Track« genannten örtlichen Lichtbogen bilden bei hohen Zerstäubungsraten ein Problem. Zwar kann die Iichtbogen-Unterdrükkungseinrichtung in der Stromversorgung derartige entstehende Lichtbogen nach ihrem Auftreten sofort zum Abklingen bringen, doch muß dazu die mit hoher Geschwindigkeit ablaufende Kathodenzerstäubung unterbrochen und nach dem Abklingen des Lichtbogens neu begonnen werden. Da die auf dem Substrat entstehende Schicht im wesentlichen nur durch die sich abscheidenden Isolierschicht-Moleküle aufgeheizt wird, bedeutet jede solche Unterbrechung bei sehr schnellen, raktrven Zerstäubungsvorgängen eire Abkühlung der entstehenden Schicht auf den Substrat wodurch eine

•to Verschlechterung der entstehenden Schicht durch Störungen im Schichtaufbau erzeugt wird.

Aus der DE-OS 19 51 735 ist es bekannt, zwischen Kathode und Absperringen eines Aufbaus für reaktive Kathodenzerstäubung eine Wechselspannung anzulegen; sie liegt dort im Bereich von mehreren MHz und dient dazu, den Zerstäubungsgrad des Materials der Zerstäubungselektrode zu beeinflussen. Außerdem werden dort Zerstäuüungselektroden mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung verwendet, die eine Abscheidung eines Materials mit kompliziertem Aufbau ergeben sollen.

Eine weitere Anwendung von Wechselspannungen bei Kathodenzerstäubungen ist in der DE-OS 20 26 321 beschrieben. Dort dient die Anwendung von Wechselspannungen im MHz-Bereich dazu, das Entladungsgebiet in der Apparatur zu begrenzen. Auf diese Weise kann dort das begrenzte Entladunfctgebiet innerhalb eines zusätzlichen isolierenden Gefäßes in der verwendeten Apparatur begrenzt und ein Eindringen von Verunreinigungen in das Entladungs- und Zerstäubungsplasma verhindert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Bildung von Lichtbogen zu verhindern und mit Hilfe einer

f>5 geeigneten Vorrichtung auf dem Substrat eine gleichmäßige fehlerlose Schicht mit hoher Geschwindigkeit aufzutragen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1

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angegebene Maßnahme gelöst dann die Dicke der Schicht weiter zu, weil isolierendes

Dadurch wird eine Entladung der sich auf der Material auf die Targetplatte gelangt und dort Isolierschicht absetzenden Ionen erreicht, so daß auf abgelagert wird.

diese Weise die Entstehung von zu Lichtbogenerschei- Die Entstehuni; der »Race-Track«-Lichtbogen erfolgt

niingen führenden Feldstärken im Erosions-Randbe- 5 wahrscheinlich in den Bereichen, in denen eine

reich der Zerstäubungselektrode vermieden wird. isolierende Schicht vorhanden ist Hier ist der

Eine Begrenzung des Endadungsplasmas ist vorteil- Ionenbeschuß, wie bereits bemerkt nicht so hoch, daß

hafterweise durch eine Weiterbildung nach den der Aufbau einer Isolierschicht verhindert wird, jedoch

kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 2 möglich, reicht er aus, die freiliegende Oberfläche der sich

und zwar ohne Anwendung von hohen Frequenzen, wie io bildenden Isolierschicht aufzuladen. Dadurch wird ein

es nach dem Stand der Technik erforderlich ist Auf elektrostatisches Feld zwischen der Oberfläche der

diese Weise wird die Anwendung spezieller Einkopp- Targetplatte und der freiliegenden Oberfläche der

lungsmaßnahmen für die Hochfrequenz vermieden. Isolierschicht erzeugt Wenn die Stärke dieses Feldes

Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Ausführung des die dielektrische Durchschlagsfestigkeit der Isolierbeschriebenen Verfahrens ist im Anspruch 8 angegeben. 15 schicht übersteigt entsteht eine Lichtbogenentladung. Die Weiterbildung nach Anspruch 9 ermöglicht die Man nimmt an, daß der Lichtbogen zwischen der Verwendsaig besonders einfach herzustellender Zer- positiven Säule der Glimmentladung und dem Punkt des stäubungselektroden. Targets auftritt, an dem die dielektrische Schicht

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin- durchschlagen wurde. Der Lichtbogen führt zu einem

dung anhand der Zeichnung näher erläutert Die einzige 20 starken Anstieg des Stromes mir den bekannten

Figur der Zeichnung zeigt eine ebene Zerstäubung⁵" schädlichen Auswirkungen.

elektrode, im folgenden Targetplatte genannt, die Teil Beim Anlegen eines Wechselspannungspotentials

einer planarenMagnetron-Zerstäubungseinrichiung ist zwischen den beiden Elektroden des Zerstäubungssy-

In der Figur ist eine ebene Magnetron-Zerstäubungs- stems wird während eines Teils des Wechselzyklus das

einrichtung 10 für den Einbau in die Arbeitskammer 25 Potentif^; der Targetplatte gegenüber dem Glimmentla-

dargestellt Die Zerstäubungseinrichtung 10 enthält eine dungsplasma negativ. Während dieses Teils wird die

Targetplatte 12, eine zweite Elektrode 11, die auch als Ionisierung und Zerstäubung der Targetplattenoberflä- Anode bezeichnet wird und eine geerdete Dunkelraurn- ehe bewirkt Die freie Oberfläche der Isolierschicht wird

abschirmung 13. Die Targetplatte 12 ist von rechtecki- in dieser Zeit durch auftreffende Ionen positiv

ger Form, während die zweite Elektrode in diesem 30 aufgeladen. Während des restlichen Teils des Zyklus

Beispiel als zylindrischer Stab ausgeführt ist, der längs wird die Polarität umgekehrt, so daß die freie

eines Randes der Targetplatte verläuft Diese zweite Oberfläche der Isolierschicht möglicherweise durch

Elektrode wird deshalb üblicherweise als Anode Elektronenbeschuß entladen wird. Die Isolierschicht auf

bezeichnet weil Zerstäubungssysteme gleichrichtend der Targetplattenoberfläche wird damit immer wieder

sind, wenn eine Wechselspannung angelegt ist Die 35 entladen, bevor das örtliche elektrische Feld die

Dunkelraumabschirmung soll sicherstellen, daß nur in dielektrische Durchschlagsfestigkeit übertrifft Damit

der Nähe der oberen Fläche der Targetplatte eine wird die Entstehungsursache für die Lichtbogenbildung

Glimmentladung erzeugt wird. vermieden. Beim Betrieb der Zerstäubungseinrichtung wird die Der Verlauf des angelegten Potentials muß dabei Glimmentladung auf einen etwa ringförmigen Bereich 40 nicht sinusförmig sein oder überhaupt eine symmetri-

direkt über der Oberfläche der Targetplatte beschränkt sehe Wellenform haben. Zur Vermeidung der LJchtbo-

Während des Betriebs bildet sich ein ringförmiger genbildung ist lediglich notwendig, daß durch die Abtragungs-oder Erosionsbereich 14 in der Targetplat- Polaritätsumkehr die Oberfläche der Isolierschicht

te aus. Dieser Erosionsbereich besitzt keine scharfen genügend entladen werden kann, bevor die elektrische

Grenzen; <?ie äußeren und inneren Berandungen des 45 Feldstärke die zur Lichtbogenerzeugung ausreichende

ringförmigen Bereichs sind allgemein durch die Linien Größe erreicht

16 bzw. 17 angedeutet Der Erosionsbereich 14 ist von Die unterste Frequenzgrenze wird dabei durch die

konkavem Querschnitt und besitzt eine Linie maximaler niedrigste Frequenz gebildet mit der im Zusammen-

Tiefe 15. Diese Linie maximaler Tiefe 15 entspricht dem hang mit typischen auftretenden Schichtdicken erfolg- Bereich der höchsten Intensität der magnetisch so reich gearbeitet werden kann. Die Frequenz muß so

eingeschlossenen Glimment'adung. hoch sein, daß die sich aufbauende Ladung auf der

Zwischen Anode 11 und Targetplatte 12 ist ein Isolierschicht entladen *ird, bevor die Durchschlags- Wechselpotential angelegt, das durch eine herkömmli- fekfcti. ke erreicht ist Im allgemeinen gilt das folgende:

ehe Wechselspannungsquelle 20 zugeführt wird. je dicker die Isolierschicht ist um so höher ist die für ein

Im gesamten Erosionsbereich 14 ist die Ionenbt- 55 Material mit gegebener Dielektrizitätskonstante erfor-

schußrate sehr hoch. Damit ist in diesem Gebiet die derliche Frequenz. Bei gleicher Schichtdicke ergeben

Zerstäubungsrate höher als die Rate, mit der sich eine sich für Materialien mit höheren Dielektrizitätskonstan-

isolierende Schicht aus den auf die Targetplatte ten niedrigere Frequenzen als für solche mit niedrigeren

auftreffenden Ionen bilden würde. In einigem Abstand Dielektrizitätskonstanten. Für viele gebräuchliche

von diesem Erosionsbereich ist jedoch die Häufigkeit 60 Materialien lieft die Dielektrizitätskonstante in der

des Auftreffens von Ionen sehr viel geringer. In den Nähe von 7. Die Schichtdicke liegt in der Grdß^nord-

Bereichen der Targetplatte, die sich in der Nähe des nung von etwa 2 μπι und darüber. Geht man von einer

äußeren Randes 18 der Targetplatte oder in dem von normalen Betriebsimpedanz von etwa 100 Ohm aus, so

dem ringförmigen Erosionsbereich 14 umschlossenen ergibt sich bei Verwendung einer planaren Kathode

mittleren Bereich 15» befinden, bauen sich ständig *>5 vom Magnetron-Typ ein Wert von etwa 2,7 kHz. Es

isolierende Schichten au' Zunächst wird eine Schicht werden jedoch auch Materialien verwendet deren

durch eine Reaktion zwischen den Gasatomen und der Dielektrizitätskonstante bis in die Gegend von 40 liegt.

Oberfläche der Targetplatte erzeugt. Später nimmt Bei derart hohen Dielektrizitätskonstanten und der

angegebenen Dicke und Impedanz errechnet sich eine Betriebsfrequenz von 470 Hz.

Die Betriebsfrequenz wird dabei so gering wie möglich angesetzt, um die Streukapazitätseinflüsse und die sich bei der Abschirmung der Energiezuführung ergebenden Probleme gering zu halten. Bei höheren Frequenzen erfordert die kapazitive Kopplung zwischen den Stromleitern und erfordern die phasenverschobenen Reflexionen von Anschlüssen die Verwendung von Ankoppelgliedern, beispielsweise Abstimmoder Schwingkreisen, um eine wirksame Leistungszuführung zu ermöglichen. Damit ergibt sich in der Praxis eine obere Frequenzgrenze bei etwa 60 kHz. Bei den meisten gebräuchlichen Materialien muß keine höhere Frequenz verwendet werden, weil die Dicke der Isolierschicht genügend gering gehalten werden kann.

Auf diese Weise verwendbare Materialien umfassen Titan, Aluminium, Zinn, Vanadium, Tantal, Niob, Indium und Zirkonium. Es können aber auch Legierungen dieser Metalle verwendet werden. Als Reaktionspartner können Sauerstoff und Stickstoff dienen.

Das beschriebene Zerstäubungsverfahren wird u. a. bei Beschichtungssystemen eingesetzt, bei dem ein isolierendes Material auf einem Teilbereich des Targets oder der Targetplatte abgeschieden wird und die lonenbeschußrate über der Oberfläche der Targetplatte ungleichmäßig ist. Das trifft z. B. für ein Zerstäubungssystem zu, bei dem unter Verwendung einer planaren Magnetron-Einrichtung Reaktionen ablaufen. Das System weist eine Arbeitskammer auf, die evakuiert und daraufhin wieder mit einem als Reaktionspartner dienenden Gas mit dem gewünschten Druck gefüllt wird.

Die folgende Tabelle ergibt ein Beispiel für ein derartiges Zerstäubungsverfahren, das bei einer Herstellung einer Titandioxidbeschichtung auf einem Glassubstrat eingesetzt wurde. Die in der Tabelle zusammengestellten Daten wurden unter Verwendung einer Planar-Magnetron-Zerstäubungselektrode, wassergekühlt, mit einem Durchmesser von 13 cm erhalten. Das Magnetfeld wurde mit einem Elektromagneten mit 7 A Erregungsstrom erzeugt. Die angelegte Wechselspannung hatte einen Wert von 500 V bei 1OkHz, die Stromstärke betrug etwa 1 A. Die Beschichtungen wurden auf Gläsern von etwa 2,5 χ 7',5 cm abgeschieden, die über der Kathode angeordnet wurden. Durch ein optisches Interferenzverfahren wurde eine Beschichtungsdicke von etwa 0,5 μπι ermittelt.

Partialdruck O

Beschichlungszeit

1	1,3	5
2	2,0	5
3	2,0	20

Es ist daraus zu ersehen, daß mit dem beschriebenen Verfahren wirkungsvoll reaktionsfähige Materialien mit einem Zerstäubungssystem von niedriger Impedanz zerstäubt werden können; die Impedanz beträgt dabei weniger als einige 100 Ohm. Beschichtungen aus Titandioxid sind mit dem beschriebenen Verfahren bei relativ hohen Raten abgeschieden worden. Dabei wurde keine Lichtbogenbildung an der Oberfläche der Targetplatte beobachtet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Beschichtung eines Substrates durch reaktive Kathodenzerstäubung, bei dem in einer evakuierbaren Kanuner eine Anode und eine Zerstäubungselektrode (Target) aus leitfähigem Material angeordnet sind, zwischen denen ein Gasentladungsplasma aufrechterhalten wird, um die zum Beschüß der an Wechselspannung liegenden Zerstäubungselektrode erforderlichen Ionen zu erzeugen, bei dem die Kammer ein unter einem bestimmten Partialdruck stehendes reaktives Gas enthält, weiches in Reaktion mit dem Target-Material eine isolierende Verbindung bildet, bei dem ein Teil des Targets sich mit der bei der reaktiven Zerstäubung gebildeten isolierenden Schicht überzieht, während der übrige Bereich der Target-Oberfläche durch 'onenbeschuß frei von der isolierenden Schicht bleüit und bei dem eine Energiequelle mit Lichtbogenunterdrückungsschaltung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Zerstäubungselektrode (12) liegende Wechselspannung eine Frequenz aufweist, die größer als 400 Hz und kleiner als 60 000 Hz ist

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasentladungsplasma aufrechterhalten wird, um die Ionen zum Beschüß der Zerstäubungselektrode (12) zu erzeugen, und daß das Gasentlarfungsplasma durch eine Magnetron-Kathoden-Einrichtung auf einen an die Zerstäubungselektrode anschießende^ ringförmigen Bereich beschränkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch : oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Zerstäubungselektrode und Substrat ein reaktantes Gas bei einem vorherbestimmten Partialdruck gehalten wird, das als Reaktionsteilnehmer an der Bildung der isolierenden Schicht beteiligt ist

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Zerstäubungselektrode durch ein reaktives Metall gebildet wird, das als weiterer Reaktionsteilnehmer die Isolierschicht bildet

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß als reaktives Metall ein Metall oder mehrere aus der Gruppe Titan, Aluminium, Zinn, Vanadium, Tantal, Niob, Indium und Zirkon verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff als reaktives Gas dient

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß Stickstoff als reaktives Gas dient

8. Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrates durch reaktive Kathodenzerstäubung, mit einer Anode, mit einer Zerstäubungselektrode aus leitfähigem Material und mit einem Substrat welche in einer evakuierbafen Kammer montiert sind, wobei die Kammer Gas mit einem vorbestimmten Partialdruck enthält, welches in einer Reaktion mit dem Material der Zerstäubungselektrode eine isolierende Verbindung bildet und wobei zwischen Anode und Zerstäubungselektrode eine durch eine Spannungsquelle hervorgerufene Potentialdifferenz anliegt, dadurch gekennzeichnet daß eine Magnetron-Kathoden-Einrichtung (10) einen Erosionsbereich (14) auf einem Teil der Zerstäubungselektrode (12) bildet und daß die angeschlossene Spannungsquelle (20) ein Wechselpotential mit einer Frequenz zwischen 400 Hz und 60 kHz liefert

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekemnzekhnet daß die Zerstäubungselektrode (12) als ebene Platte ausgebildet und daß die Magnetron-Kathoden-Einrichtung ein ebenes Magneuvn-Kathodengerät ist